JP5450975B2 - 測定装置および測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子の波面収差の測定装置に関する。

従来からシアリング干渉計の一種であるタルボ干渉計は知られている。タルボ干渉計では、理想球面波を生成するピンホールを経た光を被検レンズに照射し、被検レンズの収差の影響を受けたピンホール像を像面に結像する。像面と被検レンズの間には回折格子が配置され、波面をシアする。像面には撮像素子が配置され、撮像素子から得られた波面情報を計算機が積分して波面を復元する。また、大型の被検レンズを撮像素子で検出できるように瞳結像光学系（集光光学系）を撮像素子と回折格子との間に配置する。

タルボ干渉計では、瞳結像光学系に起因するシステム誤差の除去が計測精度を向上する上で重要である。従来、瞳結像光学系に起因するシステム誤差をマーキングがされたマスターレンズを使用して実測したり（特許文献１）、シミュレーションを利用して予測したり（特許文献２）することは知られている。また、一般的に用いられる方法として、被検光学系の像点の後方にタルボ干渉計を配置し、像点に十分に小さな径のピンホールを挿入してシステム誤差を計測し透過波面測定値の補正を行う手法がある。その他の従来技術としては特許文献３がある。
特開平７−１９０７３８号公報 特開平１０−９６６７９号公報 特開昭５８−０４５５２６号公報

しかし、特許文献１はマスターレンズを必要とするため、被検物が非球面レンズの場合、マスターレンズを製造することは非常に難しい。また、マスターレンズと被検レンズの交換、マーキング判別の邪魔になる回折格子の着脱など測定手順が長くなる。特許文献２は、シミュレーションによってシステム誤差を予測するために実測値よりも精度が低い。また、像点にピンホールを挿入して瞳結像光学系のシステム誤差を補正する方法は、回折格子及び検出器を像点の後方にしか配置できないという問題がある。

本発明は、被検光学系の波面を高精度に測定する測定装置を提供することを例示的な目的とする。

本発明の一側面としての測定装置は、光源からの光を、ピンホールを介して被検光学系に照射することによって、前記被検光学系を透過した光の波面を測定する測定装置であって、前記被検光学系を透過した光の波面を分割する回折格子と、前記回折格子によって分割された複数の波面を重ね合わせるように集光する集光光学系と、前記複数の波面を重ね合わせることにより形成されるタルボ像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子による撮像結果から前記被検光学系を透過した光の波面を算出する計算機と、前記集光光学系と前記撮像素子を前記集光光学系の光軸に沿って移動させる移動手段とを有し、前記計算機は、前記回折格子と前記撮像素子の撮像面が前記集光光学系によって共役となる位置に前記移動手段を用いて前記集光光学系と前記撮像素子を配置したときの前記撮像素子による撮像結果から第１の波面を算出し、前記タルボ像が形成される面と前記撮像素子の撮像面が前記集光光学系によって共役となる位置に前記移動手段を用いて前記集光光学系と前記撮像素子を配置したときの前記撮像素子による撮像結果から第２の波面を算出し、前記第２の波面から前記第１の波面を引くことによって前記被検光学系の波面を算出することを特徴とする。
本発明の他の側面としての測定方法は、光源からの光を、ピンホールを介して被検光学系に照射し、前記被検光学系を透過した光の波面を回折格子により分割し、前記回折格子によって分割された複数の波面を集光光学系により重ね合わせるように集光し、前記複数の波面を重ね合わせることにより形成されるタルボ像を撮像素子により撮像し、前記撮像素子による撮像結果から前記被検光学系を透過した光の波面を算出する測定方法であって、前記集光光学系と前記撮像素子を前記集光光学系の光軸に沿って移動させる移動手段を用いて、前記回折格子と前記撮像素子の撮像面が前記集光光学系によって共役となる位置に前記集光光学系と前記撮像素子を配置したときの前記撮像素子による撮像結果から第１の波面を算出するステップと、前記タルボ像が形成される面と前記撮像素子の撮像面が前記集光光学系によって共役となる位置に前記移動手段を用いて前記集光光学系と前記撮像素子を配置したときの前記撮像素子による撮像結果から第２の波面を算出するステップと、前記第２の波面から前記第１の波面を引くことによって前記被検光学系の波面を算出するステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、被検光学系の波面を高精度に測定する測定装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、本実施例のタルボ干渉計の光路図である。タルボ干渉計は、光源１、ピンホール２ａを有するピンホールマスク２、波面センサー部１０、その他の部材を有する。その他の部材としては、計算機４、ケーブル６、移動手段３、１１、１３を含む。タルボ干渉計は、光源１からの光を、被検光学系Ｌの物点位置に配置されたピンホール２ａを介して被検光学系Ｌに照射することによって被検光学系Ｌの波面を測定する測定装置である。

光源１は、例えば、レーザから構成され、コヒーレント光を照射する。被検光学系Ｌは、被検光学素子を含む概念で、本実施例では、波面の測定対象である被検レンズであり、光軸ＯＡに沿って移動手段３によって移動可能に構成されている。光源１と被検光学系Ｌの間の光軸ＯＡ上に設置するピンホール２ａは、光源１から発せられる光波を収差のない理想球面波に変換するため、口径が十分に小さい。回折による光束広がり半角θの範囲で球面波に近似するために口径φは次式を満足するものがよい。但し、ＮＡ（＝ｎｓｉｎθ）は開口数であり、空気の屈折率ｎを１としている。

波面センサー部１０は、波面分割手段である回折格子１２、瞳結像光学系１４、撮像素子１６を有し、タルボ干渉計の要部であり、タルボ干渉計の本体から取り外し可能に構成されている。

回折格子１２は、被検光学系Ｌと瞳結像光学系１４の間に設置され、被検光学系Ｌを透過した波面を分割する。回折格子１２に２次元回折格子を用いると、被検光学系Ｌを透過してきた波面を直交する２方向に分割し、直交二方向の波面の歪みを同時に高精度に測定することができる。被検光学系Ｌの収差量にあわせて、格子周期を変えると２つに分割された波面の横ずらしの量（シア量）を調整することができる。回折格子１２の明暗比を１：１にすることによって測定ノイズとなりうる偶数次の高次回折光を消すことができる。回折格子１２は、光軸ＯＡに沿って移動手段１１によって移動可能に構成されている。

瞳結像光学系１４は、回折格子１２が分割した複数の波面を集光する集光光学系である。本実施例の撮像素子１６は、回折格子１２が分割し、瞳結像光学系１４が集光した複数の波面を重ね合わせて得られる干渉縞を撮影する二次元撮像素子（ＣＣＤ）である。瞳結像光学系１４は、図２に示すように、焦点距離を変更可能なズームレンズを有することが好ましい。これにより、撮像素子１６に投影する像の倍率を任意に変えることができ、より小型な撮像素子１６で大きな口径の被検光学系Ｌを測定することができる。図２において、Ｉ１は、回折格子１２によって分割された波面同士の偽解像による干渉縞（回折格子１２の直後と同じ強度分布を持った干渉縞）であるタルボ像を示しており、Ｉ２は縮小投影されたタルボ像を示している。

瞳結像光学系１４と撮像素子１６は、光軸ＯＡに沿って移動手段１３によって移動可能に構成されている。瞳結像光学系１４がズームレンズから構成されていてもズーム比を変更せずに移動手段１３は瞳結像光学系１４と撮像素子１６の対を移動する。これにより、後述するように、第１の波面（システム誤差）と第２の波面（被検光学系Ｌの補正前の波面）を算出する際に同一の解析パラメータを使用することができる。このため、移動手段１３は、瞳結像光学系１４と撮像素子１６を一体として、即ち、両者の位置関係を維持した状態で両者を移動する。撮像素子１６の撮像面と共役関係になる位置を回折格子１２の位置にすれば、撮像素子１６よりも前面にある回折格子像を撮影することが可能となる。被検光学系Ｌを測定する時は撮像素子１６の撮像面と共役関係になる位置をタルボ像の位置にする。

コンピュータなどの情報処理装置である計算機４は、撮像素子１６とケーブル６を介して接続されており、図示しない制御部、入力部、表示部、メモリ（記憶部）を含む。計算機４は、入力部又はメモリに格納された情報に基づいて移動手段３、１１、１３の動作を制御する。また、表示部は、撮像素子１６が撮影した干渉縞（像）を表示する。制御部は、撮像素子１６による撮影結果から被検光学系Ｌの透過波面を、以下に詳細に説明するように、算出する。メモリは、第１の波面（システム誤差）と第２の波面（被検光学系Ｌの補正前の波面）を一時的に格納する。

以下、図３乃至図５を参照して、タルボ干渉計による被検光学系Ｌの波面算出について説明する。図３は、タルボ干渉計の動作を説明するためのフローチャートである。図３において、「Ｓ」はステップを表す。

まず、光軸ＯＡ上にピンホールマスク２を配置する（Ｓ１）。ピンホールマスク２の配置は計算機４の制御部が図示しない駆動部を制御することによって行われる。次に、光軸ＯＡ上に被検光学系Ｌを配置する（Ｓ２）。被検光学系Ｌの配置は計算機４の制御部が図示しない駆動部と移動手段３を制御することによって行われる。次に、光軸ＯＡ上に回折格子１２を配置する（Ｓ３）。回折格子１２の配置は計算機４の制御部が図示しない駆動部と移動手段１１を制御することによって行われる。

Ｓ３の後で、計算機４の制御部は移動手段１３を介して回折格子１２と撮像素子１６の撮像面が瞳結像光学系１４によって共役位置になるように瞳結像光学系１４と撮像素子１６を移動する（Ｓ４）。瞳結像光学系１４と撮像素子１６の初期位置がこの条件を満足していればＳ４は省略される。回折格子の位置決めの際は、被検光学系Ｌの収差によって生じる像点付近の光線の交差を避けるようにする。

次に、撮像素子１６が回折格子１２の像を撮影して撮像素子１６の撮像結果から計算機４によってシステム誤差（第１の波面）E_systemを算出する（Ｓ５）。この状態を、図４（ａ）に示す。回折格子像を取得する時は、図４（ａ）のように撮像素子１６に投影する面が回折格子１２の位置になるように配置し、回折格子像から瞳結像光学系１４の倍率とシステム誤差を算出する。回折格子像を撮影することにより、回折格子１２が被検光波によって照明されている領域が判るため、被検光学系Ｌの有効径がわかる。

次に、計算機４の制御部は移動手段１３を介してタルボ像が形成される面と撮像素子１６の撮像面が瞳結像光学系１４によって共役になるように瞳結像光学系１４と撮像素子１６を移動する（Ｓ６）。次に、撮像素子１６が被検光学系Ｌのタルボ像を撮影して撮像素子１６の撮像結果から計算機４によって補正前の波面（第２の波面）W_Talbotを算出する（Ｓ７）。この状態を、図４（ｂ）に示す。回折格子像とタルボ像を撮る時で瞳結像光学系１４の倍率を揃えることにより、シア比（分割した波面の横ずれの比率）を等しくすることができる。

タルボ干渉計は、回折格子１２をコヒーレント光で照明し、発生した回折光同士の重ね合わせの結果、回折格子１２の後方のＺｔの位置にタルボ像が得られる効果を利用している。Ｚｔは次式で与えられる。

但し、λは光源１の波長、ｎは偶数、ｄは格子ピッチ、被検光学系Ｌの像点から回折格子１２までの距離はＺ_０とする。また、回折格子１２からタルボ像までの距離Ｚ_ｔはＺ_０にくらべ十分小さい。回折格子１２を透過する光波面に収差があると回折格子の後のＺ_０方にできるタルボ像が変形する。タルボ像の変形を検出することにより、回折格子１２を透過した光波面を回復することができる。なお、タルボ干渉計では、ｎが奇数の位置に生じる回折格子の明暗が反転した像も光波面の回復に利用している。この場合、波面は正負反転した値で出てくる。

なお、Ｓ６とＳ７がＳ４とＳ５よりも先に行われてもよい。

次に、計算機４が被検光学系Ｌの波面W_sampleを補正前の波面（第２の波面）からシステム誤差（第１の波面）を次式のように差し引くことによって算出する（Ｓ８）。

具体的には、ＦＦＴ位相回復法を用いて回折格子像とタルボ像の波面位相情報を算出し、この結果をアンラップすることで差分波面を算出する。更に、差分波面をフィッティングまたは積分することでそれぞれシステム誤差と透過波面を算出する。タルボ像から回復した透過波面は被検光学系Ｌの収差に加えて装置のシステム誤差を含む。一方、回折格子像は、回折格子１２より下流のシステム誤差の影響を受け、図５（ａ）に示す理想的な形状の回折格子１２には存在しない図５（ｂ）に示すような歪みが加わる。この歪みを解析することによって瞳結像光学系のシステム誤差波面を算出することができる。図５（ａ）は高精度に製造された回折格子１２の図であり、図５（ｂ）は瞳結像光学系１４を用いて撮像素子１６に投影された回折格子１２の図である。

ＦＦＴ位相回復法および差分波面から波面を算出する際、格子像からシステム誤差を算出する場合とタルボ像から透過波面を算出する場合とで、全く同じ解析パラメータを用いることが重要である。計算機４が、タルボ像から波面W_Talbotを、回折格子像からシステム誤差E_systemを求めて座標軸の変換をすることなく直接両者の差分を取ることによって瞳結像光学系１４のシステム誤差が補正された被検光学系Ｌの透過波面W_sampleを得る。

本実施例のタルボ干渉計によれば、システム誤差を実測し、測定データを補正するため、より高精度な透過波面を測定することができる。また、本実施例のタルボ干渉計は、ヌルレンズやマスターレンズを必要としないために構成が単純で測定時間も短く、更に、波面センサー部１０の配置の自由度が高い。

本実施例のタルボ干渉計の光路図である。 図１に示すタルボ干渉計の瞳結像光学系の詳細を示す図である。 図１に示すタルボ干渉計の動作を説明するためのフローチャートである。 図４（ａ）は図３のＳ４及びＳ５の図１のタルボ干渉計の状態を示す部分光路図であり、図４（ｂ）は図３のＳ６及びＳ７の図１のタルボ干渉計の状態を示す部分光路図である。 図５（ａ）は高精度に製造された図１に示す回折格子の図であり、図５（ｂ）は瞳結像光学系を用いて撮像素子に投影された回折格子の図である。

符号の説明

１ 光源
２ ピンホールマスク
２ａ ピンホール
３、１１、１３ 移動手段
４ 計算機
１０ 波面センサー部
１２ 回折格子
１４ 瞳結像光学系（集光光学系）
１６ 撮像素子

Claims (5)

1. 光源からの光を、ピンホールを介して被検光学系に照射することによって、前記被検光学系を透過した光の波面を測定する測定装置であって、
   前記被検光学系を透過した光の波面を分割する回折格子と、
   前記回折格子によって分割された複数の波面を重ね合わせるように集光する集光光学系と、
   前記複数の波面を重ね合わせることにより形成されるタルボ像を撮像する撮像素子と、
   前記撮像素子による撮像結果から前記被検光学系を透過した光の波面を算出する計算機と、
   前記集光光学系と前記撮像素子を前記集光光学系の光軸に沿って移動させる移動手段とを有し、
   前記計算機は、前記回折格子と前記撮像素子の撮像面が前記集光光学系によって共役となる位置に前記移動手段を用いて前記集光光学系と前記撮像素子を配置したときの前記撮像素子による撮像結果から第１の波面を算出し、前記タルボ像が形成される面と前記撮像素子の撮像面が前記集光光学系によって共役となる位置に前記移動手段を用いて前記集光光学系と前記撮像素子を配置したときの前記撮像素子による撮像結果から第２の波面を算出し、前記第２の波面から前記第１の波面を引くことによって前記被検光学系の波面を算出することを特徴とする測定装置。
2. 前記移動手段は、前記集光光学系と前記撮像素子の位置関係を維持した状態で前記集光光学系と前記撮像素子を移動させることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記回折格子は２次元回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
4. 前記集光光学系はズームレンズを有することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
5. 光源からの光を、ピンホールを介して被検光学系に照射し、前記被検光学系を透過した光の波面を回折格子により分割し、前記回折格子によって分割された複数の波面を集光光学系により重ね合わせるように集光し、前記複数の波面を重ね合わせることにより形成されるタルボ像を撮像素子により撮像し、前記撮像素子による撮像結果から前記被検光学系を透過した光の波面を算出する測定方法であって、
   前記集光光学系と前記撮像素子を前記集光光学系の光軸に沿って移動させる移動手段を用いて、前記回折格子と前記撮像素子の撮像面が前記集光光学系によって共役となる位置に前記集光光学系と前記撮像素子を配置したときの前記撮像素子による撮像結果から第１の波面を算出するステップと、
   前記タルボ像が形成される面と前記撮像素子の撮像面が前記集光光学系によって共役となる位置に前記移動手段を用いて前記集光光学系と前記撮像素子を配置したときの前記撮像素子による撮像結果から第２の波面を算出するステップと、
   前記第２の波面から前記第１の波面を引くことによって前記被検光学系の波面を算出するステップと、
   を有することを特徴とする測定方法。